由乳酸水料脱水生产丙交酯的制作方法

专利名称：由乳酸水料脱水生产丙交酯的制作方法
技术领域：
本发明涉及丙交酯的催化生产，具体说涉及由乳酸直接生产丙交酯。
本申请中采用下列缩略语L1A乳酸或2-羟基丙酸LD丙交酯或3，6-二甲基-1，4-二噁烷-2，5-二酮L2A乳酰乳酸或乳酸二聚物L3A乳酰乳酰乳酸或乳酸三聚物LnA乳酸的n一低聚物。
乳酸的聚合度(DP)为“n”，即在乳酸聚合物中以共价键连接的乳酸单元的平均数。
乳酸有一个不对称碳原子，因此能发现两种对映体形式;另一方面，丙交酯有两个不对称碳原子，所以能发现三种形式的立体异构体其中两个不对称碳原子具有L(或S)构型的L-丙交酯，其中两个不对称碳原子具有D(或R)构型的D-丙交酯，以及其中一个不对称碳原子具有L构型。而另一个不对称碳原子具有D构型的内消旋丙交酯。L-丙交酯和D-丙交酯为对映体。由乳酸生产丙交酯时，乳酸进料的绝对构型在转化为丙交酯时得以保持是有利的。对映体丙交酯，尤其是L-丙交酯在生产聚合物时，特别是在生产能被环境降解的聚合物，例如普通受让的美国专利申请第387670、387676、387678、386844号中所提出的聚合物时具有实用性。
迄今，由乳酸生产丙交酯的过程是先由例如使含水乳酸脱水形成低聚乳酸(如LnA)，然后再按下式说明的方式进行被称为“背咬合”(“back-biting)的催化酯基转移反应
如以上所说明的那样，LnA的背咬合解聚作用导致生成丙交酯。为此反应所提出的催化剂包括锡粉、卤化锡或羧酸锡(EP公告261572号和275581号)，锡的醇盐(UK专利1007347号)和锡或锌(EP公告264926号和US专利4797468号)。
其他方法包括在非水溶剂中加热2-卤代丙酸的碱金属或碱土金属盐以形成丙交酯(US专利4727163号);通过使CO与甲醛、1，2-乙二醇和HF催化剂接触制备1，4-二噁烷-2-酮和5-取代的1，4-二噁烷-2-酮(US专利4070375号);真空下使热稳定性的聚醚芯-α-羟基酸(酯)嵌段共聚物热降解形成环状酯(US4727163号);在大气压或超计大气压下使含α-羟基酸(酯)聚合物或其在稳定的聚醚上的嵌段共聚物的预聚物裂解，同时不断地向反应混合物中通往惰性气体，使所形成的环状酯蒸汽挥发(US4835293号)。
现有技术中没有指出过在保持或不保持不对称碳原子绝对构型条件下由乳酸直接转化成丙交酯的方案。
本发明涉及由含水的L-乳酸制造L-丙交酯的方法。适于此目的的乳酸水料包括随意地存在有LD的含L1A、L2A和L3A中一种或多种物质的混合物。L-乳酸是生产L-丙交酯的优选的进料构型，而且要理解成在此申请中即使不用此构型符号也是如此。处理乳酸水料从中除去水，直到聚合度(DP)基本上不高于约2时为止。接着中止所说的处理产生LD粗品，然后从所说的LD粗品中分离LD产品。一种优选的处理方法包括在高温下加热所说的进料，以便除去水同时形成另一些LD。
可以采用各种技术从LD粗品中分离LD，以便生产一种LD贫化的产物，然后可以把这种LD贫化的产物(其中随意地含有额外的含水乳酸和/或水)重新提供给制造另外丙交酯的工序中。本发明的这种循环或再循环生产方案能实现很高的丙交酯转化率。
本发明的优点包括能将乳酸直接转化为高纯丙交酯;另一优点是产品丙交酯中的不对称碳原子的绝对构型与制造它所用的原料乳酸中的相同，而且都占优势。又一个优点在于提供一种适于使在处理过程中未反应的乳酸和所形成的副产物再循环的方法。方法的简易性也是一个优点。基于本申请所包含的内容，本领域中普通技术人员显然会知道这些优点和其它优点。
乳酸料是处于在本发明方法第一步中转化为其蒸汽相的水溶液形式。在本方法中水的作用可以参照下列平衡反应理解。
2L1A ()/() L2A+H2OLA+L2A ()/() L3A+H2O2L2A ()/() L4A+H2O等。
因此，将会看到L1A与乳酸的诸较高的低聚物和水处于平衡状态。通过除去水，这些反应向右移动。实际上，L2A和乳酸的更高低聚物(LnA)是利用含水乳酸脱水的方法制造的。因此应当存在足够量的水，以便上述的平衡有利于L1A和L2A存在于所说的原料之中。可以允许原料中存在额外量水，当然这是以增加与之有关的处理和能量费用为代价的。
在上述平衡反应中未知的是在何时除去水以便生产更高聚合度的低聚乳酸和还生成LD。正如数据所表明的那样，当DP值大约为2时，物料中的LD含量最高。值得重新提到的是水的除去成为此反应的驱动力。如果水除去停止在DP值大约为2时，则LD可以从反应混合物中分离并被回收利用。应当看到，现有技术都是使含水乳酸脱水，以便生成DP值大于或等于5的低聚物LnA，然后利用已知的背咬合法催化反应生产丙交酯。现有技术未能理解的是脱水时形成的丙交酯及其含量在大约为2(DP)时最高。此外也不知道在热LnA和大量要分离的水存在下LD是足够稳定的。
既然LD粗产物的DP值大约为2而且本方法的方式涉及除去水，所以适用的乳酸料富含L1A和L2A，而且更高的低聚物LnA贫化。但是，这不是说L3A、L4A和一些更高的低聚物LnA不存在于所说的乳酸进料中，而是应当使其存在量降至最小，以便按照本发明方案最大限度地生产LD。最好使富含更高低聚低物LnA的乳酸原料水解，以便利用上述的平衡方程式使乳酸进料中富含L1A和L2A。然后只将存在的更高低聚物LnA用来按本方法兼顾LD的产率。所说的乳酸原料可以含LD本身，尤其是当再循环使用经处理从中分出LD产物的粗LD原料时更是如此。所说的原料中存在LD对于L1A和L2A转化为LD的反应来说似乎没有不利影响，也就是说利用动力学手段而不是严格依赖平衡量的方法可以获得LD。
为了处理乳酸水料以便除去水，可以设想出各种反应器和反应路线。一种直接处理法涉及使含水乳酸在高温下(例如150～225℃)加热从中除去水直到此被加热物料的聚合度基本上不大于2左右为止。但是也可以设想出一些替代处理方案除去水。另一种处理方案可包括加入一种能优先与水反应形成在过程中无害的化合物的水结合剂(Waten-getter)。这种化合物包括例如酸酐(如乙酸酐)、缩醛(如乙醛缩二乙醇)、碳化二亚胺和酮缩醇(如丙酮缩二甲醇)等。可以设想出自乳酸水料中除去水用的又一种方法，涉及使所说的物料经一种渗透膜渗透，这种膜允许水分子通过但是却具有排除L1A、L2A和LD等的能力。只要水被优先地从乳酸水料中除去直至使聚合度基本上达到不大于2左右，上面提到的平衡反应就导致生成LD产物。
在非催化过程中，据认为L2A环化(或酯化)成LD。但是，LD与反应混合物中的L2A处于平衡状态，因此生成的粗LD产品不是平衡的反应混合物。也就是说，看来在处理期间当聚合度值提高到基本上不大于2左右时形成LD。然后必须停止处理，并且使粗LD产品经受除出LD的处理过程。假如使所说的粗LD产品反应混合物过长时间放置，则反应混合物中的反应物和产物就会平衡转化，一些LD有价值成份可能会转化成L2A或者反应形成L3A和L4A。因此，在产生LD粗品和从中分离LD工序之间的时间不应当过长。
为生产LD而采用的传统的较高低聚物LnA的背咬合反应或解聚反应是在催化剂存在下进行的。因此，在本发明的研究试验中也探讨了催化剂对本方法的影响。正如实施例中数据所揭示出的那样，与在基本上无催化剂存在条件下所进行的过程相比，存在传统的催化剂(如钖化合物)对LD的生产几乎没有影响。这些试验结果可以说明如下，即假定所说的钖催化剂功能仅仅涉及使较高聚合度的低聚物LnA分解成形成丙交酯的小裂片的裂解作用。当聚合度处于2左右时，LD生产的机理据认为主要涉及不需要存在催化剂的快速闭环作用。因此，在本方法中不必存在产生LD的传统的催化剂，但是也不排除其存在。
还可以设想出种种分离技术从通过处理乳酸水料产出的粗LD产品中分离LD。这些技术包括例如用冷水洗涤粗LD产品、分馏粗LD产品、溶剂萃取粗LD产品和重结晶粗LD产品从中回收LD。此外，也可以同时并用这些分离技术。
目前优选的回收方法包括蒸馏，优选在真空下和/或使用有机溶剂共馏以利于从粗LD产品中回收LD。共馏溶剂特别便于大型蒸馏釜使用，这种蒸馏釜因LD生成热和蒸馏热需要使用再沸器。所说的共馏溶剂将热量提供给蒸馏釜的上部部件，从而使热量传递给反应。此外，共馏溶剂将来自进料的蒸汽稀释并增进闭环过程。采用与LD和LnA等物质不相溶混的共沸溶剂特别方便。这将提供出溶剂和LD的附加蒸汽压，并且使LD与溶剂分离。满足此优选要求的一类共馏溶剂，包括烷基苯。尤其是沸点等于或稍高于LD的烷基苯。优选的代表性烷基苯溶剂包括高级烷基苯，其中包括C10～C22烷基苯，而且最好是十二烷基苯或十三烷基苯。平均组成为十二烷基苯的蒸馏馏分，也十分适用于本发明。这些提供所必需的沸点的混合的馏分是无毒的，而且可从市场上买到。
经处理除去LD的粗LD产品，包含一些有价值的LnA，通常通过处理此产物残余物使之富含L1A和L2A可将其转化为LD。当蒸馏作为一种选择性除去水的处理手段时，在蒸馏釜底物中还混合有可再送到所说过程中去的产品残余物。一般推荐的方法是经常补入外加的新鲜乳酸水料，在此条件下使这种再循环物流水解，使之富含L1A和L2A。当采用这种再循环方式时，总的LD产率预期能超过90%。
下列实施例说明本发明如何实施，但是不应视为对本发明的限制。本申请中除非另外指明，否则全部百分数和比例均以重量表示，全部单位均采用公制。另外，本文引证的全部参考文献通过参照并入本申请之中。
实施例1在1升三颈园底烧瓶上，装好机械搅拌器、通氮管，在直接蒸馏出口上接好冷凝器，而且接受瓶接到真空输出口和压力计上。烧瓶中加入650ml(770.4克)88%的L-乳酸进料，在搅拌和通氮气下于120～130℃加热。利用水抽气泵在150～200乇下蒸馏水，加热期间取出诸等分馏分，用滴定法测定其聚合度。然后用重氮甲烷甲基化，用气相色谱(GC)测定诸等分馏分中的L2A、L3A、L4A和LD的百分数，结果汇于表1之中。
表1蒸馏条件DLA的 组成(重量%)(b) 温度 压力DP(a) L1A L2A L3A L4A LD (℃) (乇)1.29(c) 75.4 20.1 3.3 0.3 1.3 … …1.44 49.0 28.5 11.5 2.2 3.3 120-130 400-2101.59 27.8 27.8 20.2 10.3 8.6 150 901.99 11.8 16.7 14.4 8.8 18.4 155 1532.01 12.3 14.0 13.8 9.8 19.0 160 852.07 8.3 6.0 15.0 15.0 27.9 175 302.63 2.1 0.7 1.0 0.8 14.7 185(d) 30(d)24.0 0.4 1.4 0.6 0.4 11.5 185(d) 10(d)(a)用KOH滴定，OLA是低聚乳酸。
(b)甲基酯的气相色谱。
(c)L-乳酸进料。
(d)长期(隔夜)蒸馏。
上表中数据表明，在DP大约为2时意外的出现LD产品峰，这种峰值的LD生产是在相当温和的蒸馏条件下容易达到的。如果进一步使烧瓶的内容物脱水至更高的聚合度，则LD最终会开始蒸出。继续蒸馏至稳态下，导致釜中的LD内存在大约3～6%的低聚乳酸，即导致按传统的背咬合方式生产。
实施例2～11将蒸馏釜连接到蒸馏头和冷却的接受器上，并且装好加料漏斗和维持压力为50～60乇的恒压器。在快速搅拌下自热的漏斗(145℃)向釜中滴加实施例1中有不同聚合度的等分物料馏份，依次使之蒸馏。用内部热电偶监测含熔体的釜温，釜用外部油浴加热。改变釜温并记录蒸馏速率。称量快速蒸出的物料量(即以每秒几滴的速度蒸出的)，并与残留在釜中的物料量比较。每次试验开始时利用快速蒸馏，然后减慢其蒸馏速度，最后到初始馏速的大约1/5(即每2～3秒1滴)为止，一般用这种方法区分各次蒸馏。结果列于下表2和3中。
表2量(b)实施例聚合度 (蒸馏的/未蒸馏的) 蒸馏(c)温度蒸馏速率号 DP(a) (Wt-%) (℃)2 1.29 67/16 200 快3 1.44 49/42 193 快4 1.59 39/58 220 快5 1.99 52/48 197 慢6 1.99 54/46 225 快
7 1.99 43/65 215 慢8 2.07 15/76 202 中等9 2.63 痕量蒸馏 204 很慢10 2.63 8/85 227 很慢11 24.0 痕量蒸馏 204 很慢(a)滴定法测得。
(b)占原料的重量%。
(c)50～60乇。
表3L-LD(b)(Wt%)实施例 聚合度 原料 馏出液 釜号 DP(a)2 1.29 1.3 1.1 18.53 1.44 3.3 1.4 25.54 1.59 8.6 18.8 26.16 1.99 18.4 43.5 13.28 2.07 27.9 35.2 24.79 2.63 14.7 12.7 7.111 24 11.5 痕量 5.8(a)滴定法测得的原料的聚合度。
(b)用重氮甲烷甲基化后气相色谱分析得到的组成。
表2中的数据证明，随着聚合度和熔体粘度的增加，为了蒸馏LD需要逐渐提高温度。而且迅速蒸馏的物料量在较低的聚合度下增加，在聚合度大约为2时发现产率最高、纯度最好。通过比较表2和产物经分析的表3中数据可以看到这一点。这些实施例证明LD可以从较低聚合度物料中快速蒸出，而且蒸馏速率比现有技术中在较高聚合度(DP大于或等于5)下裂解机理方式快得多。LD的最高富集作用发生在蒸馏也快的聚合度大约为2的情况下。由于蒸馏后的LD量超过蒸馏前的LD量，所以在蒸馏期间可能由于闭环作用而形成LD。
实施例12～14除了在原料中加入1%辛酸亚锡之外，其余条件重复实施例8、10和11，结果汇于下表4中。
表4催化剂(b)实施例 DP(a)有/无蒸馏出的(c)蒸馏速率(Wt-%)8 2.07 无 15 快12 2.07 有 17 快10 2.63 无 8 很慢13 2.63 有 48 中等11 24 无 痕量 很慢14 24 有 5 很慢
(a)滴定法测定(b)1%辛酸亚锡(c)占原料的重量%根据上表中数据知，仅当聚合度大于2时使用催化剂才加快丙交酯的蒸馏速率。这一点可以按照可能涉及的化学机理来理解。据认为辛酸亚锡的作用在于将较高聚合度的低聚乳酸裂解成形成丙交酯的较小的裂片，因此在这种聚合度范围内才起作用。但是在聚合度大约为2时，其机理可能主要是无催化剂下的快速闭环作用，而催化剂在此聚合度下对蒸馏速率几乎没有可察觉到的影响。因此，对于本发明的丙交酯生产方法而言，传统的催化剂是多余的。
实施例15使用了一个台式设备演示向蒸馏柱中连续加入聚合度为2的低聚乳酸料来形成、蒸馏和纯化产品LD的单元操作。由回流到五塔板Oldershaw柱的再沸器流体向所说的柱供热。进料被送入LD与再沸器蒸汽共馏的柱顶部。随着进料通过柱而渗下形成更多的LD。较高的低聚物LnA(n大于3)最终流到釜底部。水通过排除乳酸(返流到柱中)的热冷凝器而除去。LD通过一个下侧口蒸馏到被冷却的馏分收集器中。
使用的再沸器流体，是其烷基部分为C11-14异构体混合物的烷基苯(AB)。这种烷基苯经除去少量前段馏分后在56乇下的沸程为220～230℃。这种烷基苯与LD或LnA在冷或热条件下均不溶混。维持热通量为一定值，使得烷基苯随着以大约为17～75克/小时的速率滴加进料时被轻微蒸馏，每蒸出一份重量烷基苯大约蒸出3～4份重量粗品LD。烷基苯单独是在58乇下于215～220℃蒸出，而同样条件下LD在189℃下蒸馏。烷基苯和丙交酯在56乇下于165～177℃共馏。聚合度为2的物料被加热到大约80～120℃后，经由一条Teflon
小管送到系统中，借助于真空或利用蠕动泵将进料抽入系统中，进料速度是通过进料温度、粘度、进料管内径或泵抽速度等中的无论那个因素来加以控制。
将聚合度为2的乳酸料(146.22克)在2小时期间送入柱中。使再沸器的温度保持在222～224℃、压力保持在94乇。柱顶塔板温度保持在大约174～178℃，LD出料口温度为大约167℃，进料供给釜温度保持在大约80～90℃，Teflon 进料管保持在44℃温度下，压力控制在94乇，全柱均使用恒压器、压力计、冷阱和真空泵。2小时后将压力降至53乇，再于95分钟期间内向柱中补加另外的51.82克进料。在两种压力条件下以分开的馏分收集产物。
最初在较高压力下得到的馏分产出66.05克馏出液，从中倾出烷基苯溶剂，倾泻后的下部相产出一种白色结晶LD粗品，经低沸点石油醚洗涤和真空干燥后得到49.53克LD产品。其次，按同样方式由较低压力馏分产出62.45克馏出液，用石油醚洗涤除去烷基苯溶剂之后产出50.48克LD粗品。冷却釜底物，倾出烷基苯后得到94.33克低聚乳酸。水冷凝器除出4.8ml水。经计算物料平衡为100.6%。
根据L2A转化为LD计算，丙交酯粗品的产率为理论值的88.9%。据此算出的LD粗品总产率为56.8%。在对等分试样用重氮甲烷处理后，对二馏分作GC分析并与标准作比较，GC分析结果列于下表5之中。
表5GC分析结果(Wt%)成分 馏分1 馏分2LA 36.3 19.0L0A 8.0 4.6LD 46.2 73.1L3A 0 0 (＜0.5)AB 3.4 1.2总计 93.9 97.9经计算纯化前LD的总产率为34.6%。这些结果证明，在适于收集LD产物的溶剂存在下可以对聚合度为2的LD粗品进行连续共馏。
实施例16除了在53乇恒压下于3.0小时期间内送入聚合度为2.13的116.87克进料之外，重复实施例15的操作步骤。洗涤和干燥后收集的LD粗品重73.43克。停止加料后再连续蒸馏1小时，此后取出第二馏分，洗涤和干燥后此馏分产出14.83克LD粗品。在连续加料期间截取第一馏分，以及截取的所说第二馏分，忽略杂质下经计算分别占理论值的70.7%和14.3%.对于LA和烷基苯材料计算出的物料平衡为103%。两馏分经GC分析结果如下
表6GC分析结果(Wt%)成分 馏分1 馏分2L1A 15.0 0L2A 5.7 3.6LD 63.5 78.7L3A 0 0AB 3.8 3.4H2O 0.85 0.90总计 8.88 86.6最后，釜底物分析表明其中存在2.9%LD，而且L1A、L2A和L3A含量为0。
实施例17在无水的甲基·异丁基酮(MIBK)中使由实施例16的第一馏分中得到的LD重结晶，过滤分出LD，MIBK滤液在旋转蒸发器上蒸发。将此滤液的残余物与实施例16中的釜底物通过混合和在120～140℃下短时间加热的方法合并在一起。通过滴定发现，此混合物的聚合度为2.37。在其中混入2.96ml热的乳酸进料(85%L-乳酸)，用此法使此混合物的聚合度重新达到2.0～2.1左右。经GC分析，此新混合物含L1A 5.1%、L2A 4.9%和LD 35.4%，其余的物质可能是更高的低聚物LnA(n＞3)。
将此新物料按实施例16中所述的操作再循环。进料重94.19克。此工序后回收得到的产物，经洗涤、干燥后产出44.34克LD粗品(白色结晶状LD)，经分析其中含65～71%LD。此试验证明欲产出额外产品LD可以将釜底物再循环之。
实施例18～19在实施例17中得到的釜底物和提纯后废弃物中加入额外量85%的L1A，使其聚合度达到2.0～2.1而被再生，并且在第二次循环中被再次使用。在第二次循环终了时，按类似方式利用其釜底物和提纯后的废弃物进行第三次循环，试验结果列于下表7和8之中。
表7LD粗品(a)，GC分析， LD产率/循环(b)实施例 再循环 理论值的百分数 Wt% 理论值的百分数16 9 70.7 65.8 46.517 1 52.9 71.0 37.518 2 63.7 76.4 48.719 3 68.3 66.2 45.2平均 62.5 70.5 43.9(a)[粗馏出液重/原料重×0.889]×100
(b)通过由第2列(粗LD)乘第3列(GC分析)而得到的表8成分(Wt-%)实施例 L1A L2A LD L3A AB GC总计16 15.0 5.7 65.8 0 3.8 89.617 13.0 5.5 71.0 0 痕量 89.518 12.0 5.0 76.4 0 1.5 94.919 21.0 4.0 66.2 痕量 2.1 93.3上面二表中的结果证明，本发明可以在基本上不降低LD产率和无明显的物料损失的条件下，以连续再循环的方式实施。在连续操作下本方法的LD产率高于90%。
权利要求
1.一种由富含L1A和L2A的乳酸水料制造丙交酯的方法，包括处理所说的进料从中除出水直到被处理的进料的聚合度基本上不大于2左右为止，然后停止所说的处理以制造LD粗品，从所说的LD粗品中分离LD。
2.权利要求1的方法，其中所说的处理选自高温加热、加入优先与水反应的水结合剂或采用渗透膜。
3.权利要求2的方法，其中所说的水结合剂是一种或多种酸酐或酮缩醇。
4.权利要求1的方法，其中所说的分离过程用一种或多种下列方法冷水洗涤、分馏、溶剂萃取和溶剂重结晶。
5.权利要求4的方法，其中所说的分离方法是蒸馏。
6.权利要求5的方法，其中所说的蒸馏是利用共馏有机溶剂的方式进行的。
7.权利要求6的方法，其中所说的共馏溶剂包括烷基苯。
8.权利要求7的方法，其中所说的烷基苯选自十二烷基苯、十三烷基苯、及其混合物。
9.权利要求1的方法，其中将已从中分出LD的LD粗品重新构成聚合度小于2后，再循环作另外处理。
10.一种由富含L1A和L2A并且贫含更高低聚物LnA物质的乳酸水料制造丙交酯的方法，包括将所说的进料在高温下加热从中除去水，直到被加热的进料的聚合度基本上不大于2左右为止，然后停止所说的加热以生产LD粗品;并且从所说的LD粗品中分离LD。
11.权利要求10的方法，其中在真空下进行所说的加热操作。
12.权利要求10的方法，其中在大约150～225℃范围内温度下进行所说的加热操作。
13.权利要求10的方法，其中将已从中分出LD的LD粗品重新构成到聚合度小于2，并且将其再循环作另外的处理。
全文摘要
本发明涉及由L-乳酸水料制造L-丙交酯的方法。处理此水料从中除去水，直到聚合度(DP)基本上不大于2左右为止。停止此处理以生产LD粗品，然后从中分离LD。优选的处理方案涉及在高温下加热进料以除去水。为了生产LD贫化的产物可以用各种方法从LD粗品中分离出LD。此LD贫化的产物可随意地添增额外的乳酸水液和/或水，然后重新进入到制造额外丙交酯的过程中。本发明的这种循环或再循环方案能实现很高的丙交酯转化率。
文档编号C08L67/04GK1061222SQ91108029
公开日1992年5月20日 申请日期1991年9月18日 优先权日1990年9月18日
发明者R·G·辛克莱, R·A·马克尔, R·K·史密夫 申请人:巴特尔纪念研究院